Cando se aplica unha corrente a unha fina capa de diselenuro de wolframio, comeza a brillar dun xeito moi inusual. Ademais da luz común, que poden emitir outros materiais semicondutores, o diselenuro de wolframio tamén produce un tipo moi especial de luz cuántica brillante, que se crea só en puntos específicos do material. Consiste nunha serie de fotóns que se emiten sempre un por un, nunca por parellas nin por acios. Este efecto anti-agrupamento é perfecto para experimentos no campo da información cuántica e da criptografía cuántica, onde se requiren fotóns únicos. Non obstante, durante anos, esta emisión segue sendo un misterio.

Os investigadores da TU Vienna explicaron agora isto: unha interacción sutil de defectos atómicos individuais no material e a tensión mecánica son os responsables deste efecto de luz cuántica. As simulacións por ordenador mostran como os electróns son conducidos a lugares específicos do material, onde son capturados por un defecto, perden enerxía e emiten un fotón. A solución ao crebacabezas da luz cuántica publicouse agora en Physical Review Letters.

Só tres átomos de grosor

O diseleniuro de volframio é un material bidimensional que forma capas extremadamente finas. Tales capas teñen só tres capas atómicas de grosor, con átomos de wolframio no medio, acoplados a átomos de selenio por debaixo e por riba. "Se se lle subministra enerxía á capa, por exemplo aplicando unha tensión eléctrica ou irradiándoa con luz dunha lonxitude de onda adecuada, comeza a brillar", explica Lukas Linhart, do Instituto de Física Teórica da TU de Viena. "Isto en si non é inusual, moitos materiais fan iso. Non obstante, cando se analizou en detalle a luz emitida polo diseleniuro de wolframio, ademais da luz común detectouse un tipo especial de luz con propiedades moi pouco habituais”.

Esta luz cuántica de natureza especial consiste en fotóns de lonxitudes de onda específicas, e sempre se emiten individualmente. Nunca ocorre que se detecten dous fotóns da mesma lonxitude de onda ao mesmo tempo. "Isto dinos que estes fotóns non se poden producir de forma aleatoria no material, pero que debe haber certos puntos na mostra de diseleniuro de wolframio que producen moitos destes fotóns, un despois do outro", explica o profesor Florian Libisch, cuxa investigación se centra en dous -Materiais dimensionais.

Explicar este efecto require unha comprensión detallada do comportamento dos electróns no material a nivel físico cuántico. Os electróns do diseleniuro de wolframio poden ocupar diferentes estados de enerxía. Se un electrón pasa dun estado de alta enerxía a un de menor enerxía, emítese un fotón. Non obstante, este salto a unha enerxía máis baixa non sempre está permitido: o electrón ten que cumprir certas leis: a conservación do momento e o momento angular.

Debido a estas leis de conservación, un electrón nun estado cuántico de alta enerxía debe permanecer alí, a non ser que certas imperfeccións do material permitan que os estados de enerxía cambien. "Unha capa de diseleniuro de wolframio nunca é perfecta. Nalgúns lugares, poden faltar un ou máis átomos de selenio ", di Lukas Linhart. "Isto tamén cambia a enerxía dos estados de electróns nesta rexión".

Ademais, a capa de material non é un plano perfecto. Como unha manta que se engurra ao estenderse sobre unha almofada, o diselenuro de wolframio esténdese localmente cando a capa de material está suspendida sobre pequenas estruturas de soporte. Estes esforzos mecánicos tamén teñen un efecto sobre os estados de enerxía electrónica.

"A interacción de defectos materiais e cepas locais é complicada. Non obstante, agora conseguimos simular ambos efectos nunha computadora", di Lukas Linhart. "E resulta que só a combinación destes efectos pode explicar os estraños efectos de luz".

Nesas rexións microscópicas do material, onde os defectos e as tensións superficiais aparecen xuntos, os niveis de enerxía dos electróns cambian dun estado de enerxía alta a un estado de baixa e emiten un fotón. As leis da física cuántica non permiten que dous electróns estean exactamente no mesmo estado ao mesmo tempo e, polo tanto, os electróns deben sufrir este proceso un por un. Como resultado, os fotóns tamén se emiten un por un.

Ao mesmo tempo, a distorsión mecánica do material axuda a acumular un gran número de electróns nas proximidades do defecto para que outro electrón estea facilmente dispoñible para intervir despois de que o último cambiou o seu estado e emitise un fotón.

Este resultado ilustra que os materiais ultrafinos 2-D abren posibilidades completamente novas para a ciencia dos materiais.